夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)的新授課模式

范喆

摘要：提出了夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)新的授課模式 ，學(xué)生在反向拒斥電壓的理解上容易存在難點(diǎn)針對(duì)這一情況新的授課模式將難點(diǎn)融入課堂討論，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果使學(xué)生自行加深了理解和印象。

作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)項(xiàng)目，夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證了玻爾的原子理論方面的相關(guān)知識(shí)。所以同學(xué)們往往認(rèn)為夫蘭克和赫茲做的這個(gè)實(shí)驗(yàn)完全是由于有了玻爾的原子理論，之后為了驗(yàn)證它才進(jìn)行的。但是實(shí)際上1911年夫蘭克和赫茲兩位科學(xué)家為了觀察汞氣體放電現(xiàn)象，就進(jìn)行了電子與汞氣體原子的碰撞實(shí)驗(yàn)，而玻爾的原子理論是在1913年才提出的。1914年5月夫蘭克和赫茲發(fā)表了有關(guān)汞氣體電離電勢(shì)的第一篇論文，其中并沒(méi)有提到玻爾的原子理論。[1]

目前我們?cè)诮o學(xué)生授課時(shí)往往只會(huì)強(qiáng)調(diào)玻爾理論的提出時(shí)間和夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的完成時(shí)間，因此往往容易引起這樣的誤會(huì)。為了理清學(xué)生對(duì)這方面物理史的理解，另外也為了引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)具體結(jié)論的深層次思考，我們采取了與以往不同的新的授課模式。

平時(shí)的此類課程中，重點(diǎn)在于老師講授玻爾理論的基本原理，即原子只能較長(zhǎng)久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（即定態(tài)），其中每一狀態(tài)對(duì)應(yīng)一定的能量，其數(shù)值是彼此分離的。原子的核外電子在能級(jí)間進(jìn)行躍遷時(shí)要吸收或發(fā)射定值的能量。原子與具有一定能量的電子發(fā)生碰撞，就可以使原子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。新模式的重點(diǎn)則放在討論這個(gè)實(shí)驗(yàn)除了應(yīng)用汞氣原子之外，還可以采用什么氣體原子與電子碰撞，引導(dǎo)同學(xué)們適時(shí)想到氬原子等。

接下來(lái)引導(dǎo)同學(xué)查閱資料了解夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的初衷和其恰好驗(yàn)證了玻爾理論的巧合性。讓同學(xué)們對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生濃厚的興趣。并更進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)考慮實(shí)驗(yàn)的可行性方案，并親身動(dòng)手設(shè)計(jì)出合理的操作步驟和規(guī)程。這一步是課堂上的重點(diǎn)和難點(diǎn)，往往需要教師再三啟發(fā)，但是一旦完成，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程往往非常順利。

最后，完成基本實(shí)驗(yàn)的同學(xué)們分組實(shí)踐并討論下各個(gè)參數(shù)對(duì)于最終結(jié)果的影響。例如正常充氬FH管在沒(méi)有反向拒斥電壓UG2A時(shí)，陽(yáng)極電流I隨著加速電壓的增大，其幅度整體呈上升趨勢(shì)，但有較小的振蕩已經(jīng)表現(xiàn)出了峰谷特征 這種較小的幅度振蕩體現(xiàn)了氬氣的作用[2]。這一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也澄清了教學(xué)中一個(gè)比較困惑的問(wèn)題，即并非不加拒斥電壓，陽(yáng)極電流就會(huì)呈現(xiàn)為一條直線 真實(shí)的情況是：不加拒斥電壓，則陽(yáng)極電流，也會(huì)有峰谷的特征只是不夠明顯[3]。具體可見(jiàn)下頁(yè)圖示。另外，有關(guān)燈絲電壓對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，掃描增益的影響，均可由學(xué)生們親身實(shí)踐。學(xué)生們?cè)谧灾魉伎迹灾鲗?shí)踐的基礎(chǔ)上會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有更深的認(rèn)識(shí)及體會(huì).

[2]

綜上所述，通過(guò)采用新的教學(xué)模式，學(xué)生們對(duì)該實(shí)驗(yàn)的興趣大增，動(dòng)手和動(dòng)腦能力同步得到了很大提高。更好地解決了教學(xué)中容易出現(xiàn)的有關(guān)拒斥電壓等理解的難點(diǎn)和誤區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

[1]夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)的理論探討 廣東第二師范學(xué)院學(xué)報(bào) 2014年10月Vol34（5）：58-59

[2]三步法講解夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)原理 蒲賢潔 叢楊 何光宏 韓忠 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 2017年4月Vol30（2）：83-85

[3]夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)中管極電壓對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線影響的研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2015年34（6）：59-62.